集成電路設計基礎

1、集成電路設計基礎集成電路設計基礎2022-2-22集成電路設計基礎2上次課n第第9章章 晶體管與模擬集成電路基本單元設計晶體管與模擬集成電路基本單元設計2022-2-22集成電路設計基礎3 第第10章章 數(shù)字集成電路基本單元與版圖數(shù)字集成電路基本單元與版圖 2022-2-22集成電路設計基礎410.1 引言2022-2-22集成電路設計基礎5數(shù)字集成電路的基本電路的主要性能指標數(shù)字集成電路的基本電路的主要性能指標2022-2-22集成電路設計基礎610.2 TTL基本電路及版圖實現(xiàn)基本電路及版圖實現(xiàn)2022-2-22集成電路設計基礎7TTL基本電路及版圖實現(xiàn)基本電路及版圖實現(xiàn)）電路組成 該電路

2、由三部分組成： 1）由雙極型晶體管T1和電阻Rb1組成電路輸入級。 2）由T2、Re2和Rc2組成中間驅(qū)動電路，將單端信號B2轉(zhuǎn)換為雙端信號B3和B4。 3）由T3、T4、Rc4和二級管D組成輸出級。 （2）工作原理 輸入為高電平時，輸出為低電平。 輸入為低電平時，輸出為高電平。 2022-2-22集成電路設計基礎8TTL基本電路及版圖實現(xiàn)基本電路及版圖實現(xiàn)基本TTL反相器不難改變成為多輸入端的與非門。其主要特點是在電路的輸入端采用多發(fā)射極的雙極型晶體管。器件中的每一個發(fā)射極能各自獨立地形成正向偏置的發(fā)射結，并可促使T1進入放大或飽和區(qū)。兩個或多個發(fā)射極可以并聯(lián)構成一大面積的組合發(fā)射極。202

3、2-2-22集成電路設計基礎9TTL基本電路及版圖實現(xiàn)基本電路及版圖實現(xiàn)n（a）圖是三輸入端TTL與非門電路形式。T1的發(fā)射結正向偏置而導通，T2截止。結果將導致輸出為高電平。只有當全部輸入端為高電平時，T1將轉(zhuǎn)入倒置放大狀態(tài)，T2和T3均飽和，輸出為低電平。 (b)為三輸入端TTL與非門的代表符號。2022-2-22集成電路設計基礎10TTL基本電路及版圖實現(xiàn)基本電路及版圖實現(xiàn)2022-2-22集成電路設計基礎11TTL基本電路及版圖實現(xiàn)基本電路及版圖實現(xiàn)2022-2-22集成電路設計基礎12 TTL基本電路及版圖實現(xiàn)2022-2-22集成電路設計基礎13雙極集成電路版圖設計的基本原則 20

4、22-2-22集成電路設計基礎14雙極集成電路版圖設計的基本原則 盡量短些、寬些，在高頻及高阻抗的電路中尤應注意這點； 不能相交，無法避免相交時，可用交叉連線； 為避免寄生耦合，鋁線不能跨越管子，但可跨過電阻； 為防止短路及減小場效應，鋁線應盡量不在最后一次擴散層上跨過，可使鋁線爬在厚氧化層上； 布線圖形越簡單越好； 電源線、地線、輸入引線、輸出引線、低電阻引線的鋁條要寬些，引線孔要開得大些甚至排為一排。2022-2-22集成電路設計基礎15雙極集成電路版圖設計的基本原則2022-2-22集成電路設計基礎16雙極集成電路版圖設計的基本原則2022-2-22集成電路設計基礎17評價版圖好壞的幾個

5、因素2022-2-22集成電路設計基礎18版圖的目的2022-2-22集成電路設計基礎19掩模版的重要性2022-2-22集成電路設計基礎20雙極型集成電路版圖設計步驟（1）劃分隔離區(qū) （2）元器件的版圖設計 （3）元器件的布局 （4）布線 2022-2-22集成電路設計基礎21設計舉例設計舉例舉例說明2022-2-22集成電路設計基礎22設計舉例設計舉例2022-2-22集成電路設計基礎23設計舉例設計舉例2022-2-22集成電路設計基礎24電路布局草圖2022-2-22集成電路設計基礎25設計舉例設計舉例2022-2-22集成電路設計基礎26布線版圖2022-2-22集成電路設計基礎27

6、10.3 CMOS基本門電路及版圖實現(xiàn)基本門電路及版圖實現(xiàn) （1） CMOS反相器的具體電路如圖所示。這是一種典型的CMOS電路結構，它由一個NMOS晶體管和PMOS晶體管配對構成，兩個器件的漏極相連作為輸出，柵極相連作為輸入。NMOS晶體管的襯底與它的源極相連并接地，PMOS晶體管的襯底與它的源極相連并接電源。 2022-2-22集成電路設計基礎28CMOS反相器反相器（2） CMOS物理結構的剖視圖如圖所示。其中n溝道晶體管是在p阱區(qū)中制作的；而P溝道晶體管是在n型襯底上制作的。兩個晶體管的柵極聯(lián)在一起形成輸入端。 2022-2-22集成電路設計基礎29CMOS反相器反相器2022-2-2

7、2集成電路設計基礎30CMOS反相器反相器2022-2-22集成電路設計基礎31CMOS基本門電路及版圖實現(xiàn)基本門電路及版圖實現(xiàn)u（a）垂直走向MOS管結構u（b）水平走向MOS管結構u（c）金屬線從管子中間穿過的水平走向MOS管結構u（d）金屬線從管子上下穿過的水平走向MOS管結構u（e）有多晶硅線穿過的垂直走向MOS管結構2022-2-22集成電路設計基礎32各種形式的反向器版圖2022-2-22集成電路設計基礎33各種形式的反向器版圖2022-2-22集成電路設計基礎34與非門和或非門電路與非門和或非門電路n（1 1）工作原理）工作原理 二輸入與非門和二輸入或非門電路如圖所示，兩個PMO

8、S管并聯(lián)與兩個串聯(lián)的NMOS管相連構成了二輸入與非門，兩個NMOS管并聯(lián)與兩個串聯(lián)的PMOS相連構成了二輸入或非門。 （2）與非門和或非門電路的設計 （3）版圖實現(xiàn) 2022-2-22集成電路設計基礎35CMOS傳輸門和開關邏輯傳輸門和開關邏輯2022-2-22集成電路設計基礎36CMOS傳輸門和開關邏輯傳輸門和開關邏輯2022-2-22集成電路設計基礎37驅(qū)動電路的結構驅(qū)動電路的結構n眾所周知，任何一個邏輯門都有一定的驅(qū)動能力，當它所要驅(qū)動的負載超過了它的能力，就將導致速度性能的嚴重退化。設計者可根據(jù)負載大小以及脈沖邊沿的要求決定驅(qū)動級器件尺寸，如果驅(qū)動級尺寸很大且和前級功能電路的驅(qū)動能力不

9、相匹配，應該在兩者之間加一些緩沖級，以達到最佳匹配2022-2-22集成電路設計基礎38三態(tài)門在微處理器結構里，往往采用公共總線結構，因此需要設計三態(tài)門電路，以避免總線使用的矛盾。三態(tài)門電路可以用如圖所示的常規(guī)邏輯門構成。當使能信號E為高電平時，或非門和與非門都打開，數(shù)據(jù)傳至驅(qū)動管反相輸出；當E為低電平時，與非門輸出為高電平關閉了P管，或非門輸出低電平關閉了N管，輸出處于高阻態(tài)。 2022-2-22集成電路設計基礎3910.4 數(shù)字電路標準單元庫設計簡介數(shù)字電路標準單元庫設計簡介 2022-2-22集成電路設計基礎40標準單元法標準單元法n標準單元法的制作流程與門陣列基本類似，但單元庫的支持起

10、著關鍵作用。它不但支持版圖設計，同時也支持邏輯和電路設計。n設計流程框圖如下所示：2022-2-22集成電路設計基礎41 標準單元設計流程圖2022-2-22集成電路設計基礎42數(shù)字電路標準單元庫設計數(shù)字電路標準單元庫設計2022-2-22集成電路設計基礎43標準單元庫包含內(nèi)容2022-2-22集成電路設計基礎4410.5 焊盤輸入輸出單元焊盤輸入輸出單元n任何一種設計技術的版圖結構都需要焊盤輸入/輸出單元（I/OPAD）。不論門陣列、標準單元結構還是積木塊結構，它們的I/OPAD都是以標準單元的結構形式出現(xiàn)，各單元的電源、地線的寬度和相對位置是統(tǒng)一的。 2022-2-22集成電路設計基礎45輸入單元輸入單元 2022-2-22集成電路設計基礎46輸出單元輸出單元2022-2-22集成電路設計基礎47反相輸出反相輸出 I/OI/OPADPAD2022-2-22集成電路設計基礎48同相輸出 I/OPADn同相輸出實際上就是“反相反相”，為什么不直接從內(nèi)部電路直接輸出呢？主要是驅(qū)動能力問題。利用鏈式結構可以大大地減小內(nèi)部負荷。即內(nèi)部電路驅(qū)動一個較小尺寸的反相器，這個反相器再驅(qū)動大的反相器，在同樣的內(nèi)部電路驅(qū)動能力下才能獲得較大的外部驅(qū)動。 2022-2-